醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測儀器麻醉設(shè)備學(xué)

1、第八章 醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測儀器,麻醉設(shè)備學(xué),安醫(yī)大二附院李加榮,2,第八章 醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測,①醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測的重要性：麻醉實踐中醫(yī)用氣體管理技術(shù)占有的成分越來越重，氣體管理設(shè)備的故障會引起嚴(yán)重的麻醉事故。②與麻醉相關(guān)的氣體有生理氣體和麻醉氣體兩類。生理氣體主要包括氧氣、二氧化碳；麻醉氣體包括氣體麻醉劑（如氧化亞氮）和各種揮發(fā)性吸入麻醉藥蒸汽（如氟烷、恩氟烷、異氟烷、七氟烷、地氟烷等）③醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測是采集含有患者生理信息和醫(yī)學(xué)信息的氣

2、體，通過儀器分析有關(guān)氣體含量，指導(dǎo)醫(yī)學(xué)干預(yù)的檢測技術(shù)。,3,第八章 醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測,4,第一節(jié) 檢測氣體的采集,呼吸氣體的采集方法：1.　主流式：　檢測傳感器位于患者氣道出口處，直接測量通過的呼吸氣流。,5,第一節(jié) 檢測氣體的采集,2.　旁流式：　檢測傳感器位于氣體監(jiān)測儀內(nèi)，在患者氣道出口處外接采氣三通管，采氣泵持續(xù)采集患者的呼吸氣體送入監(jiān)測儀完成檢測。,6,第一節(jié) 檢測氣體的采集,3.　截流式：　在旁流式采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，于呼

3、氣末阻斷麻醉回路與患者的聯(lián)系，采集患者肺泡氣體完成檢測。,7,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,目前常見醫(yī)用氣體監(jiān)測儀主要采用電化學(xué)、紅外線、順磁三種氣體檢測技術(shù)。一、電化學(xué)分析技術(shù)　氧化還原反應(yīng)存在首電子傳遞過程，其電量變化與參加反應(yīng)的氧氣含量成比例，可據(jù)此原理分析混合氣體中的氧氣濃度?！∪剂想姵亍∪剂想姵厥前讶剂现械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能"儲電&

4、quot;而是一個"發(fā)電廠"。,8,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,為了利用煤或者石油來發(fā)電，必須先燃燒它們。燃燒時產(chǎn)生的能量可以對水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。換句話說，火力發(fā)電是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過程中，許多原來的化學(xué)能浪費掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費，也不妨礙大量使用。還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無需先轉(zhuǎn)換為熱能，這就是干電池。干電池由一

5、種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根電極。兩個電極上都進行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出或吸收。兩個電極上的電勢改變，產(chǎn)生電動勢。 在某些情況下，當(dāng)一個電池用完了以后，迫使電流返回流入這個電池，電池內(nèi)會反過來發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。這就是蓄電池。比如汽車?yán)锏你U酸電池、手機用的鋰離子電池，還有鎳氫電池、鎳鎘電池等。,9,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,在一個電池里，浪費的化學(xué)能要少得多，因為其中只通 過一個步驟就

6、將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來制造手電筒的電池。如果試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來為整個城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費數(shù)十億美元。 　燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能只通過一個步驟變?yōu)殡娔堋?10,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,燃料電池也有多種類型。1991年，我國首創(chuàng)以鋁－空氣－海水為能源的新型

7、電池，稱之為海洋電池。它是一種無污染、長效、穩(wěn)定可靠的電源。海洋電池徹底改變了海上航標(biāo)燈的供電方式。 　海洋電池，是以鋁合金為電池負(fù)極，金屬（Pt、Fe）網(wǎng)為正極，用取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，它靠海水中的溶解氧與鋁反應(yīng)產(chǎn)生電能的。海水中只含有0.5%的溶解氧，為獲得這部分氧，正極制成仿魚鰓的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以增大表面積，吸收海水中的微量溶解氧。這些氧在海水電解液作用下與鋁反應(yīng)，源源不斷地產(chǎn)生電能。兩極反應(yīng)為： 　　負(fù)極：（Al）：4Al

8、－12e＝4Al3＋ 　　正極：（Pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e＝12OH－ 　　總反應(yīng)式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓,11,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,最有望用于汽車的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池。它的工作原理是：將氫氣送到負(fù)極，經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中兩個電子被分離出來，這兩個電子在正極的吸引下，經(jīng)外部電路產(chǎn)生電流，失去電子的氫離子（質(zhì)子）可穿過質(zhì)子交換膜(即固體電解質(zhì))，在正極與氧原子

9、和電子重新結(jié)合為水。,12,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,由于氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負(fù)極供應(yīng)氫，并及時把水（蒸汽）帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。,13,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,它唯一的排放物是水，不但完全無污染，也避免了傳統(tǒng)電池充電耗時的問題，是目前最具發(fā)展前景的新能源方式，如能普及的應(yīng)用在車輛及其它高污染之發(fā)電工具上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應(yīng)。,14,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,燃料電池所使用的「氫」燃料成本比

10、較高，用甲醇等燃料代替氫可以大大降低成本。,15,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,傳統(tǒng)的制氫方式主要是通過煤、石油、天燃氣的裂解產(chǎn)生氫氣；或者通過電解水制得氫氣；由于在氫氣制備的過程中消耗了大量的化石燃料，且造成區(qū)域環(huán)境污染和全球的變暖，所以開發(fā)出綠色清潔制氫途徑成為氫能源開發(fā)的目標(biāo)之一。,太陽能和水是地球上重要的兩種可再生性資源，利用太陽能分解水制備氫氣是最清潔的制氫途徑，一直是人類開發(fā)氫能的夢想。,16,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,如果

11、在燃料電池的氧氣進氣口封上一層微孔膜，限制氧氣進入的速度，就可制成檢測氧濃度的氧電極。當(dāng)環(huán)境中氧濃度高的時候，氧電極的輸出電壓高，反之，電壓低。,17,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,18,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,2.　極譜式電極　極譜式溶氧電極以鉑金(Pt)作陰極，Ag/AgCl作陽極，電解液為氯化鉀(KCl)，用硅橡膠滲透膜作透氣膜。測量時，在陽極和陰極間加上0.68V的極化電壓，氧通過滲透膜在陰極消耗，透過膜的氧量與水中溶解氧濃

12、度成正比，因而電極間的極限擴散電流與水中溶解氧濃度成正比，表計檢測此電流并經(jīng)運算變換成氧濃度。極譜式電極需儀表輸入一電壓對電極進行極化，由于外加電壓可能要15分鐘才能穩(wěn)定，因此極譜式電極使用前通常要進行預(yù)熱確保電極能妥當(dāng)極化。,19,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,二、順磁分析技術(shù)　能夠傳導(dǎo)磁力并增強周圍磁場的物質(zhì)稱為順磁物質(zhì)。與臨床麻醉相關(guān)的醫(yī)用氣體中，只有氧氣屬于順磁物質(zhì)?！№槾判詸z測的具體方法，順磁式測氧儀還可以分為磁壓力式、聲

13、磁式、熱磁式及磁力機械式四種。,20,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,磁壓力式測氧儀工作原理是：在交變磁場中，有兩路流阻相同的通道，以相同的流速分別通過參比空氣和待測氣體。由于氧氣分子在交變磁場中隨磁場變化翻動會造成氣流振動，使氧氣含量較高的氣流通道阻力變大，兩氣體通道之間出現(xiàn)壓力差。檢測壓差信號處理，即可得到氧氣濃度的大小。,21,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,聲磁式測氧儀工作原理是：使交變磁場的頻率在聲波范圍內(nèi)，可利用微音器在管道內(nèi)檢測到

14、氣流擾動產(chǎn)生的特定音頻信號，信號強度與氧氣濃度成比例。,22,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,三、紅外線分析技術(shù)　具有兩種以上元素的氣體分子(如N2O、CO2以及鹵素麻醉氣體)都具有特定的紅外線吸收光譜，吸光度與吸光物質(zhì)的濃度成比例。通常采用4.3μm波長的紅外線檢測CO2，采3.3μm波長的紅外線檢測吸入麻醉藥。而無極性的O2、N2、He不吸收紅外線。,23,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,紅外線吸收式分析儀 　根據(jù)不同組分氣體對不同波長

15、的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強度可確定被測氣體的濃度。紅外線分析儀的使用范圍寬，不僅可分析氣體成分，也可分析溶液成分，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，能在線連續(xù)指示。,24,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,主流式紅外線傳感器直接放置在氣管導(dǎo)管接頭呼吸氣路上。中間的氣流通道即為測量室，光源和換能器分別安裝在檢測室兩側(cè)的窗內(nèi)。紅外光源發(fā)出的紅外線透射穿過測量室氣體，經(jīng)特定的濾光片排除雜光干擾

16、到達對側(cè)的光電換能器。紅外線在光電換能器上產(chǎn)生的電流與被檢測氣體濃度成比例。傳感器的校正器有兩個密閉的氣室，一個充滿氮氣，一個充滿5％的二氧化碳，分別用于調(diào)零和校準(zhǔn)。,25,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,旁流式紅外線檢測器，采氣泵以恒定流速吸引呼吸氣體流過檢測室。遮光輪片上裝有若干個不同波長的濾光片，滿足鑒別并測量二氧化碳和不同麻醉氣體的需要。工作時遮光輪片勻速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)特定濾光片選擇不同波長的紅外線通過檢測室。,光電換能器分時得到基線參

17、比信號、二氧化碳信號和麻醉氣體信號，再經(jīng)計算機系統(tǒng)信號處理，自動鑒別并計算出氣體中二氧化碳和麻醉氣體濃度，還能重組信號連續(xù)顯示呼吸波形。,26,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,聲光氣體分析原理：采氣泵以恒定流速吸引呼吸氣體流過檢測室。遮光輪片留有三排透光孔，檢測室相應(yīng)部位裝有一組濾光片，分別透過氧化業(yè)氮、揮發(fā)性麻醉氣體和二氧化碳特征波長的紅外光。遮光輪片勻速旋轉(zhuǎn)，使紅外線以脈沖形式照射檢測室，每種波長的紅外光激活一種氣體，引起檢測室內(nèi)氣體規(guī)

18、律脹縮，當(dāng)紅外脈沖頻率達到音頻范圍時，氣路中的微音器可以檢測劍二種不同頻率的音頻信號，不同音頻信號的強度與相對應(yīng)的氣體含量成比例。,27,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,除用電容式傳感器外，也可用直接檢測紅外線的量子式紅外線傳感器，并采用紅外干涉濾光片進行波長選擇和配以可調(diào)激光器作光源，形成一種嶄新的全固體式紅外氣體分析儀。,這種分析儀只用一個光源、一個測量室、一個紅外線傳感器就能完成氣體濃度的測量。此外，若采用裝有多個不同波長的濾光盤，則

19、能同時分別測定多組分氣體中的各種氣體的濃度?！∨c紅外線分析儀原理相似的還有紫外線分析儀、光電比色分析儀等，在工業(yè)上也用得較多。,28,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,四、其他氣體分析技術(shù)1.氣相色譜分析技術(shù)工作原理：恒流載氣通過色譜柱，氣體樣本注入載氣，混合后注過色譜柱時由于色譜柱內(nèi)的固定相與不同氣體分子的粘滯力不同，相似者相容，粘滯力強，渡過速度慢，反之渡過速度快。這樣混合氣體中的不同成分被分離，分別先后通過檢測器進行定量分析。

20、氣相色譜通用性好，是最早用于麻醉氣體研究的分析技術(shù)?？梢詸z測各種與麻醉相關(guān)的氣體。,29,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,但是分析速度慢，不同理化性質(zhì)的氣體不能同時測定，難以滿足臨床監(jiān)測連續(xù)慢速的要求。,30,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,2.質(zhì)譜分析技術(shù)檢測原理：采氣泵吸引患者呼吸氣體經(jīng)近樣品室，極少數(shù)氣體分子通過進樣毛細孔進入離子室。在高速電子的轟擊下，這些氣體分子失去電子成為帶正電的氣體離子，然后在加速電場的作用下向靶電極運動。

21、氣體離子的運動軌跡與其質(zhì)量/電荷電量比值有關(guān)。,31,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,在四極質(zhì)譜儀中，四根平行電極形成靜電場，大多數(shù)氣體離子被電極捕獲，不能到達靶電極。在一定電場參數(shù)下，只允許一質(zhì)荷比的離子到達靶電極。連續(xù)改變電場參數(shù)即可控制不同質(zhì)荷比的氣體離子分別到達靶電極。,靶電極產(chǎn)生的電信號與檢測氣體濃度成比例，據(jù)此可以鑒別混合氣體的不同成分，及各成分的含量。在磁選擇質(zhì)譜儀中，是利用磁場改變氣體離子的運行軌道，設(shè)置多個靶電極，可以同

22、時鑒別并檢測多種已知氣體的成分。,32,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,3.拉曼光譜技術(shù)　檢測原理：激光作用于氣體分子，分子內(nèi)的一部分電子吸收光子能量躍遷到較高能量級軌道。隨后被吸收的能量以不同的波長再發(fā)射出來，氣體分子恢復(fù)到原來的水平。這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。不同的氣體分子具有特定的散射光譜，散射光強度與該氣體的含量成比例?！∵@種分析技術(shù)可以鑒別并檢測幾乎所以與臨床麻醉有關(guān)的氣體，但單原子氣體沒有拉曼散射現(xiàn)象，不能采用這種技術(shù)檢測。

23、　采用這種技術(shù)檢測。在儀器的設(shè)計中，兩頭具有透光窗的檢測室位于氦．氖激光器光路內(nèi)，測量室兩端設(shè)置了空氣入口，在透光窗口處形成空氣保護層，以防止強光點燃麻醉氣體。,33,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,34,第二節(jié) 氣體檢測技術(shù)簡介,4.壓電晶體分析技術(shù)檢測原理：壓電晶體在極間電壓的作用下，會產(chǎn)生一定頻率的振蕩，振蕩頻率與晶體物理特性、電極板質(zhì)量、極間電壓有關(guān)。在晶體極板上涂脂質(zhì)層，當(dāng)脂質(zhì)層與麻醉藥蒸氣接觸時會吸附麻醉藥蒸氣使之質(zhì)量發(fā)生變